基于低影响开发的校园雨水控制及效益分析

2021-12-28汪星戎贵文孙双科郑铁刚胡良宇

排灌机械工程学报 2021年12期

汪星，戎贵文，孙双科，郑铁刚*，胡良宇

(1. 安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南232001；2. 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038)

近年来大规模城市建设导致地表不透水面积迅速增加，改变了这些地区的原有自然水文循环；雨水径流产生侵蚀、洪水和增加污染负荷等有害影响[1-2].由于对水环境产生的不利影响，城市雨水径流管理已成为一个关键问题[3-4].2013年，中国政府启动海绵城市(SPC)建设倡议，旨在改变城市雨水径流量，使其模拟雨水自然循环过程[5].2014年，中国政府发布了“海绵城市建设指南”指导中国海绵城市建设[6-7].当前，全球许多国家已经对低影响开发技术(LID)进行了广泛研究，包括进行一系列试验和对LID渗透行为及水质改善情况的研究[8-9].

美国环境保护署(EPA)开发的SWMM模型在模拟城市雨洪中应用广泛.目前已有众多学者运用SWMM 5.0(含LID模块)模拟并评估了场降雨事件及连续降雨事件.徐多[10]利用SWMM模拟不同设计降雨条件下对萍乡市北星小学的径流控制效果；向晨瑶等[11]借助SWMM模型对清华大学校园进行了精密模拟，使用2场实测的降雨数据分析了集水区的产流过程和街道积水情况；赵树旗等[12]初步研究了城市校园内雨水径流的污染情况.

当前，中国高校的传统校区皆建于城市主城区，受历史局限性等影响，校园内建筑密度较大，排水管网设计标准较低.而近年来随着中国高等教育事业的快速发展，高校规模不断扩大，大部分高校开始兴建新校区.与传统校区相比，新建校区一般位于市郊或大学城，占地面积较大，建筑密度低，公共空间大，有利于布置各种LID设施.因此，如何合理地在新建校区布设LID设施是亟须解决的问题.文中以安徽省淮南市安徽理工大学山南新校区为研究对象，基于SWMM模型模拟在不同降雨重现期下对地表径流量和出口峰值流量的控制作用，以及对污染物的削减作用.

1 研究区域及方法

1.1 研究区域概况

以安徽理工大学校园为研究对象，研究区域占地总面积约1 979 740.80 m2，地势呈现西高东低，其中绿地约1 117 186.14 m2，沥青路面约235 365.01 m2，透水铺装约351 886.07 m2，建筑屋面约178 930.52 m2，其他区域约96 373.06 m2.

1.2 模型建立和评价标准

利用SWMM模型进行水文和水质模拟.根据研究区域的土地利用状况、排水管网布局和地面高程，建立研究区域的SWMM模型.研究区域概况如图1所示，其中A1:绿地，A2：透水铺装，A3：沥青路面，A4：水面，A5：屋面，A6：其他，分为16个子汇水区、15个雨水管段、16个节点及1个排水口.采用Nash-Sutcliffe系数(NSE)来确定水质模型模拟结果的准确性，计算公式为

图1 研究对象概况图

(1)

1.3 LID措施的选取

常见的LID措施有雨水花园、绿色屋顶、雨水罐、下沉式绿地和植草沟等，由图1可见，研究对象的主要研究区域为绿地、沥青道路和建筑屋顶.应用于绿地的常见LID措施为雨水花园和下沉式绿地.文献资料表明，雨水花园一般应用于住宅区和商业区等小区域绿地，而下沉式绿地适用于大面积绿地区域，符合文中研究区域特点，且成本造价较雨水花园低，因此文中研究选择下沉式绿地作为LID措施之一.另外，沥青道路占本研究区域总面积的12%，植草沟可替代雨水管网，完成道路两侧雨水的输送和排放，进而减轻排水管网的压力，故为文中研究选择的另一LID措施.常应用于建筑屋顶的LID措施为绿色屋顶和雨水罐，但绿色屋顶的应用范围小，成本造价和后期维护成本高，不适用于大面积建筑屋顶，因此选用适用范围广、成本低的雨水罐.综上所述，文中研究将雨水罐、下沉式绿地和植草沟作为LID措施开展研究工作.

1.4 模型参数的选取

1.4.1 暴雨强度设计计算

(2)

式中：i为降雨强度，mm/h；t为降雨历时，min；P为重现期，a.

城市内涝产生的因素很多，除暴雨外，城市道路硬化面积增大、排水管网老化以及植被蓄水能力下降等都会对内涝的产生存在一定的影响，同时，不能忽视雨型对内涝产生的影响.文中结合实际选用芝加哥雨型，采用淮南市暴雨强度计算公式计算重现期P为5，10，20 a的淮南市降雨情景，绘制降雨过程线，雨峰相对位置取0.3，降雨历时t取4 h，结果如图2所示.

图2 降雨过程的设计曲线

1.4.2 模型参数率定及验证

水文模型和水质模型的相关参数取值主要结合研究区域实际情况，参考SWMM模型用户手册中的推荐值及文献，并由实测资料率定.降水入渗过程采用HORTON模型，地表径流的汇流计算采用非线性水库法[13]，模拟排水系统流量演算的模型使用动力波模型，模型主要参数取值：透水地表的洼地储蓄量W透为5.08 mm，不透水地表的洼地储蓄量W不透为1.27 mm，透水地表的曼宁系数n透为0.240，不透水地表的曼宁系数n不透为0.013，最大入渗率λmax为76 mm/h，最小入渗率λmin为18 mm/h，衰减系数K为4 h-1，排干时间T为7 d[14].

通过监测2019年3月27日、7月6日2场降雨事件的径流数据，对水文模型参数进行率定，2次率定结果显示，NSE值分别为0.903 0和0.927 4，误差较小，能够满足本研究需要；并且采用2019年5月8日、7月15日2场降雨事件的径流数据对水文模型参数进行验证.验证结果如图3所示，图中q为降雨量，mm；D为径流深度，mm，模拟径流过程与实测径流过程趋势基本一致，2次验证的NSE值分别为0.945 0和0.931 0，模型参数满足要求，能够满足文中研究的需要.

图3 水文模型参数验证

在SWMM中，水质过程模拟中考虑了降雨湿沉降等6种污染物来源,而文中污染物主要来源为地表径流，故以此开展模型选择.地表径流污染模拟有污染物累积和冲刷2种，其中，污染物累积有幂函数累积、指数函数累积和饱和函数累积3种模型，作者对3种模型进行了对比发现，饱和函数累积模型预测效果较好，适用于文中模拟污染物的累积过程.另外，污染物冲刷模型包括指数冲刷模型、流量特性冲刷曲线模型和次降雨平均浓度模型，其中，流量特性冲刷曲线模型和次降雨平均浓度模型均仅考虑了径流量对冲刷过程的影响，指数冲刷模型是唯一同时考虑污染物累积量和降雨径流量对冲刷过程影响的模型，故选用指数冲刷模型开展模拟研究[15].

在生态保护部2018年发布的《国家水污染物排放标准制订技术导则》中明确指出，水污染排放需要控制的全部污染物，首要控制污染物就是COD和NH3-N，其次控制污染物为TN和TP，即这4种污染物是文中重点关注对象.文中研究区域为校园，水污染排放大部分为生活污水，数据监测显示生活污水中NH3-N占TN的80%以上，具有代表性，故此，选择COD，NH3-N和TP进行水质评价.

此外，鉴于研究区域整体尚未完工，故选取了近年降雨量具有代表性的几场降雨实测数据对模型参数进行率定与验证.分别选取2019年4月25日和2019年4月27日2场降雨对水质模型参数进行率定与验证.验证结果表明，NSE值大于0.500 0，均值为0.873，表明模型初设水质参数可应用于本研究.

2 结果与讨论

2.1 环境效益

2.1.1 径流量削减

图4为4种LID实践的径流削减量，图中H1为植草沟，H2为下沉式绿地，H3为雨水罐，H4为组合LID，RF为流量削减量.

图4 4种LID实践的径流削减量

由于这些LID实践设施面积和汇水区面积不同，且地表径流产生在不同的降水深度下，为准确比较各LID实践的径流削减效果，在LID单位面积上对径流削减效果进行分析，单位设施面积即1 m2的LID设施面积.图4a显示不同LID实践单位设施面积径流削减量，雨水罐由于容积有限，在重现期P为5 a时已达到饱和状态，除雨水罐外，其余3种LID实践的径流削减量随重现期的增加而增加.即4种LID实践的单位面积削减量从大到小依次为雨水罐，植草沟，下沉式绿地，组合LID.

由于很难确定径流削减量的变化是否可归因于这4种LID实践不同的径流削减能力或不同的汇水区面积，因此，在汇水区单位面积上对径流削减效果进行分析，单位汇水区面积即1 m2的汇水面积.图4b显示4种LID实践在单位汇水区面积上的径流削减量，雨水罐在重现期为5 a时已达到饱和状态，其余3种LID实践的径流削减量随重现期的增加而增加.所述4种LID实践的单位汇水区面积径流削减量从大到小依次为下沉式绿地、组合LID、植草沟、雨水罐.但是结合单位面积径流削减量分析，最有效的LID实践不是下沉式绿地，因为下沉式绿地是通过大的设施面积来得到较高的径流削减量.无论从单位设施面积还是单位汇水区面积削减量，植草沟具有较大的径流削减量，在径流削减量方面效率最高，因为植草沟能在下渗的同时储存部分径流.

2.1.2 流量控制

图5为应用LID实践前后水文效应的模拟结果，图中Q为流量，H5为无LID.在模拟应用LID实践前后的过程中，蒸发损失可忽略不计.如图5所示，LID实践对流量峰现时间有延时效应.在重现期为5, 10 a时，植草沟、下沉式绿地和组合LID 3种LID实践对峰现时间的延时效应十分明显，而雨水罐对峰现时间的延时作用十分有限，主要是因为雨水罐仅应用于屋面，且雨水罐能容纳的径流量较少.在重现期为20 a时，4种LID实践的延时效应均不明显，此时，由于降雨强度较大，4种LID实践达到饱和状态，LID设施失去滞蓄作用.

此外，由图5还可得出，LID实践对流量的整体削减效果明显.根据峰值流量，雨水罐并无削减效果，植草沟的削减能力极弱(不足5%)，而下沉式绿地和组合LID的削减率超过35%，具有良好的削减效果.根据出口总流量，4种LID实践均有一定的削减效果，除下沉式绿地外，随着重现期的增加，其余3种LID对出口总流量的削减率逐渐提高；对于下沉式绿地，随着重现期增加，削减率有所下降，但是在3种重现期下，削减率均超过70%，能有效缓解城市管网排水负荷.因此，模拟结果进一步表明，该区域LID实践在雨水管理中发挥重要作用.

图5 不同重现期下地表径流过程线

2.1.3 水质评价

雨水罐主要起到蓄水作用，对污染物移除作用很小，所以对其他3种LID实践方案中出口的COD，NH3-N和TP负荷m进行评价.植草沟对COD，NH3-N和TP的削减率为21.56%～66.15%；下沉式绿地对COD，NH3-N和TP的削减率为73.41%～90.29%；组合LID对COD，NH3-N和TP的削减率为50.23%～83.31%；具体数据详见表1，表中R为削减率.

表1 不同LID实践方案的污染负荷削减效果

由此可知，3种LID实践均能有效地去除上述污染物.在相同重现期时，污染物去除率从大到小依次为COD，TP，NH3-N；对于同一污染物，下沉式绿地对污染物的去除效果最好；组合LID在重现期等于5 a时对NH3-N的去除率高于其余污染物，在重现期为10 a时，其余LID实践对污染物的去除率最高，并且去除率呈现出随重现期增大先增大再减小的趋势.由式(3)可知，污染物负荷的削减通常是通过水质处理降低污染物的浓度(例如土壤的过滤、吸附、离子交换、沉淀及生化作用)，以及减少入口流量(入口流量的大幅度减少能使污染物负荷大量降低)2种方式实现的.LID实践通过上述2种方式削减污染物负荷.

M=cin×Vin-cout×Vout，

(3)

式中：M为污染负荷削减量，mg；cin为入口水流污染物浓度，mg/L；Vin为入口流量，L；cout为出口水流污染物浓度，mg/L；Vout为出口流量，L.

2.2 成本效益分析

2.2.1 单位成本效益

通常采用成本/效益或效益/成本计算单位成本效益.本研究的效益为模拟所得各种污染物的削减率.成本中建设成本参考《海绵城市建设技术指南》[6]，下沉式绿地的建设成本设为40元/m2，植草沟的建设成本设为100元/m2，雨水罐的建设成本设为500元/m2；每个设施每年的维护费用按成本的相应百分比进行计算，即下沉式绿地为8%，植草沟为8%，雨水罐为2%.本研究单位成本效益拟通过计算成本/污染物削减率得到，单位为万元/1%.

2.2.2 不同LID设施成本效益分析

雨水罐和组合LID分别为最低成本(347.4万元)和最高成本(13 508.1万元)方案.雨水罐只应用于屋面，使用面积较小(4 963.3 m2)且维护成本低，由于研究区域可改造成下沉式绿地的面积较大，沉式绿地具有最高的总成本.

由于雨水罐对污染物的削减作用十分微弱，基于其余3种LID实践的效益和成本，对单位污染物削减率成本进行了分析.图6为污染物削减成本效益，图中CCOD为每1%COD污染物削减率成本，万元；CTP为每1%TP污染物削减率成本，万元；CNH3-N为每1%NH3-N污染物削减率成本，万元.结果表明：单位削减率成本均最低的LID实践为植草沟，最高为组合LID实践，并且在降雨重现期为10 a时，植草沟、下沉式绿地和组合LID实践对3种污染物均具有最低的单位削减率成本.与COD和TP的单位削减率成本相比较，NH3-N具有最高的单位削减率成本.

图6 污染物削减成本效益

从成本效益上分析，下沉式绿地和组合LID实践具有良好的污染控制效果，但是这2种LID实践在单位削减率成本上较高；同时，虽然植草沟不能有效地控制径流污染物，但其具有较低的单位削减率成本.

2.2.3 屋面雨水收集利用

屋面的雨水水质好，水头高，易于收集，利用雨水罐收集屋面雨水具有较高的经济效益.中国城市人口的人均日生活用水量为175 L，生活必须饮用水仅占人均生活用水量的2.18%，所占比例最低，而冲厕、淋浴和厨用等非饮用水消耗大量的生活用水[16]，这些非饮用水可用处理过的雨水代替.

文中雨水罐总容积约为4 694 m3，3种重现期下雨水罐均达到饱和状态，该区域人数约27 000人，按照学生人均每天生活用水量为127 L，同时去除收集的雨水在处理过程中有10%的损失，则1次降雨收集的屋面雨水作为非饮用水可供1.2 d使用.淮南市学校自来水价格为3.38元/m3，收集的屋面雨水可节约14 279.148元，具有良好的经济效益.